JP4625673B2

JP4625673B2 - 露光方法及び露光装置

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Publication number: JP4625673B2
Application number: JP2004301748A
Authority: JP
Inventors: 和也福原; 信一伊藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2004-10-15
Filing date: 2004-10-15
Publication date: 2011-02-02
Anticipated expiration: 2024-10-15
Also published as: TW200632566A; JP2006114765A; TWI317053B; US7446853B2; US20060082747A1

Description

本発明は、リソグラフィ技術に関し、特に液浸法を用いた露光方法及び露光装置に関する。

近年、半導体デバイスパターンの微細化に対応するために、投影レンズと被処理基板（以下、基板）の間を液体（例えば水）で満たした状態で露光を行う液浸型のスキャン露光装置（液浸露光装置）の開発が進められている（特許文献１）。液浸型にすることにより、露光波長を変えずに解像限界を向上させたり、あるいは焦点深度を拡大させたり出来る。一方、レジスト表面が水にさらされることによって、加水分解もしくは露光中の光化学反応によりレジスト中に発生した物質が液浸媒質（水）に拡散して露光光を散乱する、あるいは、レンズを汚染する等の懸念がある。
国際公開第９９／４９５０４号パンフレット

本発明の目的は、レジストから発する物質が露光装置の結像特性に与える影響を抑制しつつ、露光工程のスループット向上と歩留まり高め得る露光方法及び露光装置を提供することにある。

本発明の一例に係わる露光方法は、基板上に列方向に配列された第１及び第２の露光フィールドを有するレジスト膜を形成する工程と、前記第１及び第２の露光フィールドに設計パターンを転写するための走査型の露光装置に前記基板を搭載する工程であって、前記露光装置は、前記設計パターンの一部に対応する光学パターン像を生成する光学パターン像生成手段と、前記光学パターン像を第１及び第２の露光フィールドより小さい露光スリット領域に投影する投影光学系と、前記基板を移動させる基板ステージと、前記レジスト膜への局所的な領域と前記投影光学系との間に流れを有する液膜を形成する液膜形成手段とを具備する工程と、前記液膜形成手段を用いて前記液膜を形成する工程と、前記第１または第２の露光フィールドに設計パターンを転写する工程であって、前記基板を前記列方向と平行な方向に移動させると共に、前記基板の移動に同期して前記光学パターン像生成手段で生成される光学パターン像を変化させる工程と含む露光方法であって、第１及び第２の露光フィールドへの設計パターンの転写が、前記基板の移動方向及び前記液膜の流れの方向を変えずに、連続して行われ、前記第１の露光フィールドへの前記設計パターンの転写が終了してから、第２の露光フィールドへ前記設計パターンの転写を開始するまでの間に、前記基板が所定の距離だけ移動し、前記第１及び第２の露光フィールドへの設計パターンの転写時、及び前記第１の露光フィールドへの前記設計パターンの転写が終了してから、第２の露光フィールドへ前記設計パターンの転写を開始するまでの間、前記液膜の流れの速度は、前記基板の移動速度と相対値が一定であり、かつ前記液膜の流れの速度は、前記基板の移動速度よりも大きいことを特徴とする。

本発明の一例に係わる露光装置は、レジスト膜の露光フィールドに設計パターンを転写するスキャン＆ステップ型の露光装置であって、列方向に第１及び第２の露光フィールドが配列されたレジスト膜が形成された基板を移動させる基板ステージと、前記設計パターンの一部に対応する光学パターン像を生成する光学パターン像生成手段と、前記光学パターン像を前記レジスト膜の第１及び第２の露光フィールドより小さい露光スリット領域に投影する投影光学系と、前記レジスト膜の露光スリット領域と前記投影光学系との間に流れを有する液膜を形成する液膜形成手段と、前記第１及び第２の露光フィールドへの転写の順序、並びに前記液膜の流れの向き及び前記基板の移動方向を制御するために、前記基板ステージ、光学パターン像生成手段、及び液膜形成手段を制御する制御機構であって、前記基板を列方向と平行な方向に連続的に移動させて、第１及び第２の露光フィールドに前記設計パターンを順次転写させるために前記基板ステージを制御すると共に、第１の露光フィールドへの前記設計パターンの転写が開始されてから、第２の露光フィールドへの前記設計パターンの転写が終了するまでの間、前記液膜の流れの方向を維持するために前記液膜形成手段を制御する制御機構とを具備してなり、前記制御機構は、前記第１の露光フィールドへの前記設計パターンの転写が終了してから、第２の露光フィールドへ前記設計パターンの転写を開始するまでの間に、前記基板を所定の距離だけ移動させ、前記第１及び第２の露光フィールドへの設計パターンの転写時、及び前記第１の露光フィールドへの前記設計パターンの転写が終了してから、第２の露光フィールドへ前記設計パターンの転写を開始するまでの間、前記液膜の流れの速度と前記基板の移動速度との相対値を一定にし、かつ前記液膜の流れの速度を前記基板の移動速度よりも大きくすることを特徴とする。

本発明によれば、液浸露光の際の液膜の流れ及び基板の移動方向を一定にしたまま複数回の露光することによって、基板上での液の滞留及び乱流発生を抑制する。その結果、レジストから液中に発した物質およびマイクロバブル等が結像に与える影響が抑えられ、露光工程のスループットが高まるとともに、歩留まりが向上する。

本発明の実施の形態を以下に図面を参照して説明する。

図１は本発明の一実施形態に係る液浸投影露光装置を示す図である。図１において、基板ステージ１１上には基板１２が設置・固定されており、基板ステージ１１の水平方向の移動に応じて基板１２も移動する。マスクステージ１８上に設計パターン（例えば半導体素子パターン）が形成されたフォトマスクマスク１６が配置されている。マスクステージ１８の水平方向の移動に応じてフォトマスク１６も移動する。フォトマスク１６に対して照明光学系１９から露光光が照明される。基板１２と投影レンズ１４の間は水１５で満たされており、投影レンズ１４から射出する露光光は水１５の層を透過して照射スリット領域に到達する。照射スリット領域にあたる基板表面のフォトレジストにフォトマスク１６上のマスクパターン（不図示）の像が投影され、フォトレジストに潜像が形成される。投影レンズ１４の横には基板１２と投影レンズ１４の間に水１５を供給・回収する水供給・回収機構１７が設置され、走査露光に同期して水が給水・排水される。

図２は基板上に形成される露光フィールドの配置を表している。１枚のマスクに描かれたマスクパターンが、走査露光により基板１２上の矩形の露光フィールド２２に投影される。このとき、走査露光時、例えば図３（ａ）〜図３（ｃ）に示すように、露光スリット領域２３が露光フィールド２２を紙面の上から下に走査する。または図４（ａ）〜図４（ｃ）に示すように、露光スリット領域２３が露光フィールド２２を紙面の下から上に走査する。

図５、図６は、基板上に複数の投影像を順次走査露光する際の露光順を表している。図５では、まず、基板１２が一定方向に水平移動し、同方向への移動中に投影露光が複数回行われる。基板上には投影露光される領域４５と投影露光されない領域４６が交互に現れる。基板１２は、露光スリット領域が基板１２を上の端から下の端まで走査するように、方向を変えないで水平移動される。露光スリット領域が基板１２の下端に到達したら、基板ステージ１１の移動方向を反転させて水平移動を開始する。このとき、図５に示す未露光であった領域４６に対して走査露光が行われ、最終的には縦一列すべての領域が露光される（図６）。図５，図６に示した走査露光の後、基板１２上の隣の列に対して図５，図６の順で露光を行い、最終的には基板１２上の全ての露光フィールドに走査露光が行われる。

基板の走査露光が図５に示したように行われる場合、フォトマスクの水平移動は図７のようになる。まず、基板上の露光フィールド（第１の露光フィールド）５１を走査露光する場合、フォトマスクは、露光光が照射されながら、基板の移動方向に対して所定の方向に水平移動される。一般にはフォトマスクのパターンの反転像が基板上に投影されるため、基板の移動方向とフォトマスクの移動方向は逆である。露光フィールド５１の走査露光が終わり、投影レンズ１４の下で露光フィールド５２が移動している場合、フォトマスクは前の移動方向とは逆の方向に移動される。このとき、光照射は行われない。

さらに隣の露光フィールド５３に露光スリット領域が差し掛かると、フォトマスクは露光フィールド５１の走査露光と同じ方向に水平移動され、それに合わせて走査露光が行われる。同様に、投影レンズ１４の下で露光フィールド５４が移動している場合、露光フィールド５２と同様に、フォトマスクが移動するのみで、走査露光が行われない。さらに隣の露光フィールド５５に露光スリット領域が差し掛かると、フォトマスクは露光フィールド５１，５３の走査露光と同じ方向に水平移動され、それに合わせて走査露光が行われる。

上記の手続きの結果、基板上の露光フィールド５１、５３、５５には露光光が照射されて潜像が形成され、露光フィールド５２、５４には何も形成されない。ここで投影レンズの下で露光フィールド５２、５４を移動中にフォトマスクが所定位置に完全に戻っている必要がある。そこで、フォトマスクが戻るのにかかる時間に合わせて、露光フィールド５２、５４における基板の移動速度を制御する。

基板表面に存在するフォトレジストに光が照射されると、光化学反応によりレジスト中に生成する物質（酸など）がレンズと基板の間を満たす水に拡散し、水の光透過特性を変える。この現象により不要な散乱光（フレア）が発生して基板上に到達し、レジストパターンが乱される。このようなレジストパターンの劣化を抑制するために、レンズと基板の間を満たす水は走査露光中に供給・回収装置の働きで一定方向に流れ、レジストからの拡散物質が光路中に滞留しないようにされる。しかしながら従来の露光方法においては一つの露光フィールドの走査が完了して次の露光フィールドに移る際に走査方向が反転する。このとき水の流れの方向が変化することになるため、一時的に拡散物質が滞留し、次の露光においてフレアが発生してレジストパターンが乱される。また水の運動方向が変化する際に非常に小さい泡（マイクロバブル）が発生する場合がある。マイクロバブルもレジストからの拡散物質と同様にフレアを発生するため、発生を抑制する必要がある。基板移動方向の反転と水流の方向転換を十分ゆっくりと行えば、上記のような拡散物質の滞留やマイクロバブルの発生は抑制されるものの、１枚のウェーハの露光にかかる時間が長くなるという問題がある。

本実施形態に示した手法によれば、複数の露光フィールドを、走査方向を変えずに複数の露光フィールドを走査露光するため、水流方向の変化の回数が少なくなり、上記のような問題の発生頻度が少なくなる。

よってフレアの発生が抑制され、レジストパターンの乱れが少なくなる。また、本実施形態では走査方向の反転の際に移動速度を遅くする回数が少なくなるから、１枚の基板全体の投影露光にかかる時間が短縮される。

露光を行わない領域を照射領域が通過する速度を、フォトマスクを元の位置に戻すのにかかる時間に合わせて決定することにより、１枚の基板全体を露光するのにかかる時間を短くすることができる。この場合、基板の移動速度が若干変わる場合があるが、移動方向は前後の露光のときと変わらないから、水流の乱れはほとんど生じない。

半導体デバイス製造工程の歩留まりが向上する。半導体デバイス製造のスループットが向上する。本手法は特に露光波長１９３ｎｍのＡｒＦ露光装置及び１５７ｎｍのＦ₂露光装置に対して有効である。ただしＦ₂露光装置の場合は、水が波長１５７ｎｍの光を通さないため液浸媒質として水を使用することは出来ず、代わりに例えばパーフルオロポリエーテル(PFPE)を液浸媒質として使用する。

（変形例１）
上記実施例では透過型のフォトマスクを用いているが、この方法は同等機能をもつ別の種類のパターン原盤を使った場合でも有効である。パターン原盤の例としては反射型のフォトマスク、液晶パネルを用いて電気的に透過・非透過パターンを生成する機能を持つ液晶マスク、または微小ミラーのアレイを用いて電気信号に応じてミラーの角度を制御することにより明・暗のパターンを生成する機能をもつ光変調器などがある（参考文献：特開平２００３−１００６２６号公報）。ここで、液晶マスクや光変調器を用いた場合は、パターンを自由に形成および消去できるため、パターン表示機構自体を走査する必要はなく、基板の走査に同期させてパターンの形成位置を変える。またフォトマスクを元の位置に戻す工程は不要となるから、基板の移動方向を変えない露光を行っても図７の領域５２、５４のような非露光領域は生じないから、露光工程のスループット向上の効果はフォトマスクを用いた場合よりも大きい。

（変形例２）
上記ではウェーハの端から端まで方向を変えずに移動させているが、本手法は少なくとも２つ以上の露光フィールドを基板の移動方向を変えないで投影露光することによって効果が生じる。１方向に走査した後、走査方向を反転させて同じ領域を逆方向に走査する方法以外にも、図８に示されているような露光順序の様々な変形が考えられる。先ず図８（ａ）に示すように露光してから、次に図８（ｂ）に示すように露光する。ハッチングの領域が走査露光される領域である。

図９には別の変形例が示されている。図９（ａ）に示すように、一つの露光フィールド７１を露光してから、走査方向を変えないで次の露光フィールド７２を露光するとき、領域７１と７２の間に露光フィールド１個分の領域を非露光領域とすることに限らず、露光フィールド二個分またはそれ以上の面積の非露光領域７４を確保しても良い。つまり、露光フィールドへの前記設計パターンの転写が終了してから、次の露光フィールドへの設計パターンの転写を開始するまでの間に、前記基板が前記露光フィールドの列方向の幅の略整数倍の距離を移動する。

また、図９（ｂ）に示すように、非露光領域として露光フィールドより狭い領域７６しか確保しないということも可能である。これらの選択は、非露光領域における基板の走査速度及び走査後のフォトマスクを元の位置に戻す速度に依存して定められる。図９（ｂ）に示した走査露光では、領域７６が投影レンズの下を通過する間に、フォトマスクが基板の移動速度に対して高速に元の位置に戻る必要がある。なお、図９において、ハッチングの領域７５が基板ステージ移動方向を変えないで一度に走査露光される領域である。

（変形例３）
更に望ましい形態として、基板および基板ステージの移動を水流の上流から下流に向けて行うことが好ましい。このように移動させると基板上の水流が層流となり、排熱効果を高めることができる。また、レジスト膜表面に感光剤や溶解抑止材が分布する場合に、露光前に表面を洗浄でき、露光した領域もクリーンな状態に保てることから感光剤や溶解抑止材の表面偏析起因の寸法バラツキを低減することができる（流れが逆の場合、露光した領域及び露光予定領域に露光領域より上流で溶け出した感光剤や溶解抑止材が付着し、感度変動をきたしてしまう）。水流の速度はレジスト膜表面に存在する感光剤や溶解抑止材を露光前に十分に洗浄、除去できるように定めるとよく、本発明者らの検討によればＫｒＦレジスト膜、ＡｒＦレジスト膜、Ｆ₂レジスト膜などが形成された基板と露光装置レンズ間距離ｈ（mm）、基板の移動速度ｖ_s(mm/s)に対して、基板表面からの距離ｈ／２（ｍｍ）でｖ_l≧２ｖ_sとなるように水の移動速度ｖ_lを定めると良い。

また、ステージ移動中の水流の速度は、ステージの速度と相対値が一定となるように制御するのが望ましい。このような制御を行うことで層流を維持できるため、レジストから排出された感光剤や溶解抑止剤を淀みなく基板外に排出でき、基板表面や投影レンズに対する２次汚染を防止することができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することが可能である。

本発明の一実施形態に係る液浸投影露光装置を示す図。基板上に形成される露光フィールドの配置を表す平面図。本発明の一実施形態に係わる走査露光を説明するために用いられる図。本発明の一実施形態に係わる走査露光を説明するために用いられる図。基板上に複数の投影像を順次走査露光する際の露光順を表す図。基板上に複数の投影像を順次走査露光する際の露光順を表す図。フォトマスクの水平移動の様子を示す図。露光順序の変形例を示す図。露光順序の変形例を示す図。

符号の説明

１１…基板ステージ，１２…基板，１４…投影レンズ，１５…水，１６…フォトマスク，１７…水供給・回収機構，１８…マスクステージ，１９…照明光学系

Claims

基板上に列方向に配列された第１及び第２の露光フィールドを有するレジスト膜を形成する工程と、
前記第１及び第２の露光フィールドに設計パターンを転写するための走査型の露光装置に前記基板を搭載する工程であって、前記露光装置は、前記設計パターンの一部に対応する光学パターン像を生成する光学パターン像生成手段と、前記光学パターン像を第１及び第２の露光フィールドより小さい露光スリット領域に投影する投影光学系と、前記基板を移動させる基板ステージと、前記レジスト膜への局所的な領域と前記投影光学系との間に流れを有する液膜を形成する液膜形成手段とを具備する工程と、
前記液膜形成手段を用いて前記液膜を形成する工程と、
前記第１または第２の露光フィールドに設計パターンを転写する工程であって、前記基板を前記列方向と平行な方向に移動させると共に、前記基板の移動に同期して前記光学パターン像生成手段で生成される光学パターン像を変化させる工程と含む露光方法であって、
前記第１及び第２の露光フィールドへの設計パターンの転写が、前記基板の移動方向及び前記液膜の流れの方向を変えずに、連続して行われ、
前記第１の露光フィールドへの前記設計パターンの転写が終了してから、第２の露光フィールドへ前記設計パターンの転写を開始するまでの間に、前記基板が所定の距離だけ移動し、
前記第１及び第２の露光フィールドへの設計パターンの転写時、及び前記第１の露光フィールドへの前記設計パターンの転写が終了してから、第２の露光フィールドへ前記設計パターンの転写を開始するまでの間、前記液膜の流れの速度は、前記基板の移動速度と相対値が一定であり、かつ前記液膜の流れの速度は、前記基板の移動速度よりも大きいことを特徴とする露光方法。
前記所定の距離は、前記第１及び第２の露光フィールドの列方向の幅の略整数倍であることを特徴とする請求項１に記載の露光方法。
前記所定の距離は、前記第１及び第２の露光フィールドの列方向の幅の２倍又はそれ以上であることを特徴とする請求項２に記載の露光方法。
前記基板が移動する距離に応じて、前記基板の移動速度及び前記液膜の流れの速度のうち少なくとも前記基板の移動速度を制御することを特徴とする請求項１に記載の露光方法。
前記液膜の流れの速度の大きさは、前記基板の移動速度の大きさの２倍以上であることを特徴とする請求項１に記載の露光方法。
請求項１〜５の何れかに記載された露光方法を用いて、半導体デバイスを製造することを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
レジスト膜の露光フィールドに設計パターンを転写するスキャン＆ステップ型の露光装置であって、
列方向に第１及び第２の露光フィールドが配列されたレジスト膜が形成された基板を移動させる基板ステージと、
前記設計パターンの一部に対応する光学パターン像を生成する光学パターン像生成手段と、
前記光学パターン像を前記レジスト膜の第１及び第２の露光フィールドより小さい露光スリット領域に投影する投影光学系と、
前記レジスト膜の露光スリット領域と前記投影光学系との間に流れを有する液膜を形成する液膜形成手段と、
前記第１及び第２の露光フィールドへの転写の順序、並びに前記液膜の流れの向き及び前記基板の移動方向を制御するために、前記基板ステージ、光学パターン像生成手段、及び液膜形成手段を制御する制御機構であって、前記基板を列方向と平行な方向に連続的に移動させて、第１及び第２の露光フィールドに前記設計パターンを順次転写させるために前記基板ステージを制御すると共に、第１の露光フィールドへの前記設計パターンの転写が開始されてから、第２の露光フィールドへの前記設計パターンの転写が終了するまでの間、前記液膜の流れの方向を維持するために前記液膜形成手段を制御する制御機構とを具備してなり、
前記制御機構は、
前記第１の露光フィールドへの前記設計パターンの転写が終了してから、第２の露光フィールドへ前記設計パターンの転写を開始するまでの間に、前記基板を所定の距離だけ移動させ、
前記第１及び第２の露光フィールドへの設計パターンの転写時、及び前記第１の露光フィールドへの前記設計パターンの転写が終了してから、第２の露光フィールドへ前記設計パターンの転写を開始するまでの間、前記液膜の流れの速度と前記基板の移動速度との相対値を一定にし、かつ前記液膜の流れの速度を前記基板の移動速度よりも大きくすることを特徴とする露光装置。
前記所定の距離は、前記第１及び第２の露光フィールドの列方向の幅の略整数倍であることを特徴とする請求項７に記載の露光装置。
前記所定の距離は、前記第１及び第２の露光フィールドの列方向の幅の２倍又はそれ以上であることを特徴とする請求項８に記載の露光装置。
前記制御機構は、前記基板が移動する距離に応じて、前記基板の移動速度を制御することを特徴とする請求項７に記載の露光装置。